Im Folgenden sind die Untersuchungen zur Applizierbarkeit des Sicherheitsmerkmals mit gängigen Druckverfahren dargestellt.
Auftrag im
Offsetdruck Der Offsetdruck ist einer der wichtigsten Druckverfahren, weshalb die Möglich-keit, das Sicherheitsmerkmal auch mit dieser Technologie aufzubringen, unter-sucht wurde.
Klassische Sol-Gel Systeme sind aber aufgrund ihrer hydrophilen Materialien für eine Applikation mittels Offsetdruck eigentlich nicht geeignet. Daher wurde u.a.
der Einsatz von Lösungsmittel mit geringer Wasserlöslichkeit (z.B. Glycerin) untersucht, die jedoch nicht die gewünschten Erfolge brachten. Statt die Sol-Gele direkt als Offsetdruckfarbe zu konzipieren, besteht jedoch auch die Möglichkeit das Sicherheitsmerkmal in den Dispersionslack einzubringen. Dieser wird am Ende des Druckprozesses auf die Drucke zur weiteren Veredelung aufgetragen.
Dabei liegt der Vorteil darin, dass das Sicherheitsmerkmal zum Schluss der Veredelung aufgetragen wird. Allerdings ist hierbei die richtige Mischung Disper-sionslack-Sicherheitsmerkmal zu beachten, da der Dispersionslack nach der Trocknung eine geschlossene Oberfläche ausbildet, die jedoch für den Nachweis des Antigens kontraproduktiv ist. Des Weiteren wird die Glanzentwicklung durch die Einformulierung des Sicherheitsmerkmals in den Dispersionslack deutlich verringert (bis zu 19% Glanzverlust).
Die Probleme bzw. Nachteile beim Auftrag des Sicherheitsmerkmals überwie-gen, weshalb es sinnvoller ist, das Sicherheitsmerkmal mit anderen Druckverfah-ren aufzubringen. Als günstig erweist sich neben dem Flexodruck vor allem der Inkjetdruck, da mittlerweile viele Druckereien auf sogenannte hybride Druckver-fahren setzen, d.h. die Ergänzung ihres bisherigen Maschinenparks mit digitalen Druckmaschinen oder -modulen [26,27].
Auftrag im
Flexodruck Die hergestellten Sol-Gele können aufgrund ihrer Eigenschaften gut mittels Flexodruck auf Papier aufgebracht werden. Die Bedruckbarkeit wurde mittels
“IGT F1 Bedruckbarkeitsprüfgerät zum Flexodruckverfahren“ untersucht. Das Sicherheitsmerkmal konnte auf allen Druckmustern nachgewiesen werden.
Auftrag im
Inkjetdruck Durch den Einsatz von digitalen Auftragsverfahren kann das Sicherheitsmerkmal einfach, kostengünstig und schnell auf die ausgewählte Stelle auf der Verpa-ckung aufgebracht werden.
Um die hergestellten Sicherheitsmerkmale mittels Inkjetdruck aufbringen zu können, müssen diese aber hinsichtlich ihrer dynamischen Oberflächenspan-nung optimiert werden. Bei einer Blasenlebensdauer von 200-400ms liegt die dynamische Oberflächenspannung von Inkjettinten bei ca. 30mN/m, die des Sicherheitsmerkmals bei ca. 47mN/m. Zur Verringerung der dynamischen Oberflächenspannung wurden nichtionische Tenside eingesetzt:
20 25 30 35 40 45 50 55 60
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Blasenlebensdauer [ms]
dynamische Oberflächenspannung [mN/m]
Epson Colourless Ink G3
G3-C1
G3-C1 0.1T Tensid 1 G3-C1 0.15T Tensid 1 G3-C1 0.17T Tensid 1 G3-C1 0.2T Tensid 1
0,15T Tensid 1 ausreichend
Die dynamische Oberflächenspannung bei Tensideinsatzmengen von 0,15T bis 0,2T ändert sich im Bereich zwischen 200ms bis 400ms nur noch geringfügig und liegt zwischen 29-31mN/m, weshalb eine Einsatzmenge von 0,15T Tensid 1 ausreichend ist und für die Bedruckbarkeitsuntersuchungen genutzt wurden.
Das Sicherheitsmerkmal wurde mittels eines programmierbaren Druckkopfs auf offsetbedrucktes Papier aufgebracht (Æ Trend hybride Druckverfahren). Einge-setzt wurden Sol-Gele mit unterschiedlichen Antigeneinsatzmengen (verschiede-ne Varianten des Sicherheitsmerkmals). Alle Varianten des Sicherheitsmerkmals konnten mittels Inkjetdruck verdruckt und auf dem Papier nachgewiesen werden.
Benötigtes
Auftragsgewicht Zum Nachweis des Sicherheitsmerkmals ist nur ein sehr geringes Auftragsge-wicht notwendig (ÆVorteil Inkjetdruck). Aufgrund der hohen Flächenschwankun-gen des Substrats ( ± 5 g/m²), ist die exakte Bestimmung des Strichgewichts und der Strichdicke jedoch kaum möglich, so dass nur die Möglichkeit bleibt die Strichdicke über Querschnitte im REM auszumessen.
In folgenden Bildern ist eine Variante des Sicherheitsmerkmals (G3-C20: 0,04%
Antigen 1 in Sol Gel G3) bei Einsatz unterschiedlicher Rakel und Geschwindig-keiten aufgebracht worden. In Bild 1 (Auftrag: Rakel 8, Geschwindigkeit 1) lässt sich die Sol-Gel Schicht erkennen und ausmessen (667nm bzw. 858nm). In Bild 2 (Auftrag: Rakel 1, Geschwindigkeit 10) ist dies nicht der Fall. Durch die Rönt-genmikroanalyse kann jedoch nachgewiesen werden, dass sich die Sol-Gel Schicht (Pkt. 1) auf der Calciumcarbonatstrichschicht (Pkt. 2) befindet.
Bild 2
Röntgenmikroanalyse – Bild 2
7 Kostenanalyse
Reines Sol-Gel
System Hinsichtlich der Kosten des reinen Sol-Gel-Systems kann auf schon vorhandene Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. So wurde im Projekt AiF 14760 „Nano-pack“ eine ausführliche Kostenrechnung durchgeführt, die auch auf die Systeme in diesem Projekt angewendet werden kann. Dabei kommt man nach den ent-sprechenden Modifizierungen bzw. Synthesen auf einen Preis von ca. 25€ pro kg Feststoffgehalt.
Antigene Die Kosten der Antigene sind je nach Art und Reinheit sehr unterschiedlich. So kosten 1mg Antigen zwischen 0,11€ und 550€.
Komplettsystem
Druckfarbe Geht man davon aus, dass zum eindeutigen Nachweis 1mg Antigen auf 50ml Sol-Gel mit einem Feststoffgehalt von 10% (dies entspricht einer Antigen-einsatzmenge von 0,002%) benötigt wird, so ergibt sich eine Preisspanne von 0,35€ - 550€ pro 50ml Komplettsystem. Dabei macht das Antigen bis zu 99% der Gesamtkosten aus.
Kosten pro Sicherheit-merkmal bei Inkjetauftrag
Für die Berechnung wird eine Druckerpatrone mit 40ml Inhalt und einer Kapazität von 500 DIN A4 Seiten angenommen. Dabei berechnet sich die Kapazität
nachdem Dr. Grauert Brief, bei dem 5% der Gesamtfläche einer DIN A4 Seite bedruckt sind. Geht man – in Anlehnung an diese Prüfmethode – davon aus, dass für ein Sicherheitsmerkmal 5% einer DIN A4 Seite bedruckt wird und nimmt man als Kosten für das Komplettsystem die in Arbeitspaket 3 berechneten Werte (die Kosten für das Tensid sind so gering, dass sie die Gesamtkosten nicht weiter beeinflussen), so ergibt sich ein Preis pro Sicherheitsmerkmal zwischen 0,0006 € - 0,88 €. Tatsächlich ist jedoch damit zu rechnen, dass weniger als 5%
einer DIN A4 Seite auf einer Verpackung für das Sicherheitsmerkmal genutzt werden, so dass die Kosten weiter sinken werden.
8 Schlussfolgerungen
Sicherheits-merkmal Präventive technische Maßnahmen gelten als ein entscheidender Faktor zum Schutz vor Produktpiraterie. Neben einer Weiterentwicklung von bereits ange-wandten Methoden ist die Entwicklung neuer und innovativer Methoden mit dem Ziel des verbesserten Produktschutzes dringend erforderlich. Nur durch fach-übergreifende Zusammenarbeit sind wirkungsvollere Methoden entwickelbar, die das Potential besitzen einen höheren Produktschutz zu bieten[09]. Genau hier setzt das entwickelte Sicherheitsmerkmal an.
Laut dem Leitfaden für die europäische Investitionsgüter-Industrie [08] sollte ein Produktschutz exklusiv sein, mit dem Erzeugnis fest verbunden sein, sichtbare und unsichtbare Elemente enthalten, einfach zu kontrollieren und zu erkennen sein, nicht zu kopieren, entfernen oder ändern sein und eine vernünftige Kosten-Nutzen Relation aufweisen.
Dies trifft auf das in diesem Projekt entwickelte Sicherheitsmerkmal zu. So kann die Exklusivität des Merkmals durch die Vielzahl an einzusetzenden Proteinen bzw. Biomolekülen als Antigen gewährleistet werden (Æ großes Potential an maßgeschneiderten Sicherheitsmerkmalen). Dabei kann das Sicherheitsmerkmal aufgrund der Antigen-Antikörperreaktion mittels Schnelltestsystemen einfach und trotzdem hochspezifisch nachgewiesen werden. Die Proteinanalysen zum
„Knacken“ des Codes der Biomoleküle sind extrem komplex und sehr teuer, so dass das Sicherheitsmerkmal nur mit sehr hohem Zeit- und Kostenaufwand zu fälschen wäre. Das Sicherheitsmerkmal ist fest mit der Verpackung verbunden und kann nicht entfernt oder geändert werden. Durch die Transparenz der Schicht kann es weiterhin mit mehreren Sicherheitsmerkmalen (sichtbar / un-sichtbar) kombiniert werden. Für den Funktionserhalt sollte das entwickelte Sicherheitsmerkmal allerdings als letztes aufgebracht werden. Trotz der großen Preisspanne, die vorwiegend auf die Kosten der Antigene zurückzuführen ist, besitzt das Sicherheitsmerkmal eine gute Kosten-Nutzen Relation, die durch den Auftrag mittels Inkjetdruck nochmals verbessert wird.
Einsatz Sol-Gel Materialien im Sicherheits-merkmal
Anorganische oxidische Nanosole bieten eine gute Möglichkeit bioaktive Rea-genzien, Biomoleküle und selbst lebende Zellen homogen in eine Metalloxid-Matrix einzubetten und als dünne biokatalytische Schichten zu applizieren.
Nahezu alle Biomoleküle – weitgehend unter Erhalt ihrer Konformation sowie chemischer und physikalischer Eigenschaften – können in diese Matrix eingebet-tet werden. Dadurch sind sie externen Reagenzien und damit chemischen Reaktionen und Wechselwirkungen zugänglich. Aufgrund der Porosität der anorganischen Matrix können kleine Reagenzien ungehindert in und aus der Schicht diffundieren. [23–25]
Für das entwickelte Sicherheitsmerkmal wurden Sol-Gel Materialien auf SiO2 -Basis ausgesucht. Verschiedene Silane (modifziert / unmodifiziert) wurden sowohl in 1-Komponenten- als auch 2-Komponenten- Systemen eingesetzt und auf ihre Eignung für den Einsatz im Sicherheitsmerkmal untersucht. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen konnten relevante Eigenschaften der Druckfar-be definiert werden. AusschlaggeDruckfar-bend für den Einsatz der Sol-Gele im Sicher-heitsmerkmal waren neben der Lagerstabilität, die Verträglichkeitsuntersuchun-gen sowie erste AussaVerträglichkeitsuntersuchun-gen zur Applizierbarkeit der Sol-Gel Systeme.
Sicherheits-merkmal als Druckfarbe
Für die Druckfarbe wurden verschiedene Antigen-Antikörper Systeme ausge-wählt und in ausgesuchte Sol-Gel Materialien eingebracht. Die Druckfarben wurden auf die Verträglichkeit „Antigen – Sol-Gel“ aber auch auf die Lagerstabili-tät der Komplettsysteme, deren Applizierbarkeit (geeignete Druckverfahren) sowie deren Funktionalität (Erhalt der Markerwirkung) hin untersucht und opti-miert.
Die applizierten Sicherheitsmerkmale wurden ebenfalls untersucht. Es zeigte sich, dass die Markerwirkung bei Antigen 1 nach Auftrag der Druckfarbe mindes-tens 4 Monaten erhalten bleibt. Weiterhin zeigten die Schichten sowie die
Funktionalität eine gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien und UV-Strahlung.
Auch kann das Sicherheitsmerkmal auf schon bedruckte Flächen aufgebracht werden, ohne diese zu beeinträchtigen oder zu beschädigen. Es eignet sich somit hervorragend zum Auftragen auf schon vorhandene Systeme, wodurch der Produktschutz weiter erhöht werden kann.
Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Erkenntnisse zur optimalen Applikation und der damit verbundenen optimalen Funktionalität des Sicherheitsmerkmals erlangt werden.
Fazit Innerhalb des Projektes wurde ein kostengünstiges und schwierig zu kopieren-des Sicherheitsmerkmal als Druckfarbe auf Basis der Antigen-Antikörper Reakti-on entwickelt, das durch seinen einfachen, hochspezifischen und schnellen Nachweis besticht. Es wurden relevante Eigenschaften für die Entwicklung eines Sicherheitsmerkmals als Druckfarbe definiert. Konzepte zur Herstellung von Sicherheitsmerkmalen als Druckfarben (Einsatz weiterer Biomoleküle als Anti-gen) können aufbauend auf den Ergebnissen erstellt werden.
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Sabine Hottmann Dipl.-Ing. Dirk Fiedler
Tel. 03529 / 551-663 Tel. 03529 / 551-663
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